mini|hochkant=1.5|Das teilstrukturierte Protein SUMO-1 (nach PDB 1A5R) mit einer relativ geordneten Struktur im Zentralbereich und ungeordneten Strukturen in den C- und N-terminalen Regionen.
Ein intrinsisch ungeordnetes Protein (Kurzbezeichnung: IDP, englisch: intrinsically disordered protein) ist ein Protein, dem eine feste oder geordnete dreidimensionale Struktur fehlt.A. K. Dunker, J. D. Lawson, C. J. Brown, R. M. Williams, P. Romero, J. S. Oh, C. J. Oldfield, A. M. Campen, C. M. Ratliff, K. W. Hipps, J. Ausio, M. S. Nissen, R. Reeves, C. Kang, C. R. Kissinger, R. W. Bailey, M. D. Griswold, W. Chiu, E. C. Garner, Z. Obradovic: Intrinsically disordered protein. In: Journal of molecular graphics & modelling. Band 19, Nummer 1, 2001, S. 26–59, PMID 11381529 (Review).H. J. Dyson, P. E. Wright: Intrinsically unstructured proteins and their functions. In: Nature reviews. Molecular cell biology. Band 6, Nummer 3, März 2005, S. 197–208, doi:10.1038/nrm1589, PMID 15738986 (Review).A. K. Dunker, I. Silman, V. N. Uversky, J. L. Sussman: Function and structure of inherently disordered proteins. In: Current opinion in structural biology. Band 18, Nummer 6, Dezember 2008, S. 756–764, doi:10.1016/j.sbi.2008.10.002, PMID 18952168 (Review). IDPs umfassen vollständig unstrukturierte und teilstrukturierte Proteine, die unter anderem Random Coils und (pre-)molten globules enthalten. Dazu zählen auch Proteine mit mehrteiligen Domänen, dessen Domänen mit kurzen Peptidsequenzen (flexible linkers) verbunden sind. In einigen Fällen können IDPs durch das Binden an andere Makromoleküle in eine feste Struktur überführt werden.A. Andreeva, D. Howorth, C. Chothia, E. Kulesha, A. G. Murzin: SCOP2 prototype: a new approach to protein structure mining. In: Nucleic acids research. Band 42, Januar 2014, S. D310–D314, doi:10.1093/nar/gkt1242, PMID 24293656, .
Sie sind nicht zu verwechseln mit den intrinsisch unstrukturierten Proteinen, die eine Untergruppe der intrinsisch ungeordneten Proteinen darstellt. Jedoch werden die Begriffe in der Literatur manchmal synonym verwendet.
Geschichte Das Anfinsen-Dogma besagt, dass die native Struktur von Proteinen unter physiologischen Bedingungen durch die Aminosäuresequenz bestimmt wird. In den 1960er-Jahren konnte man zeigen, dass bei Denaturierung von Ribonukleasen 99 % ihrer enzymatischen Aktivität verloren ging und bei Wiedereinführung in ihre physiologische Bedingung ihre enzymatische Aktivität zurückerhalten hatten.D. S. Eisenberg: How Hard It Is Seeing What Is in Front of Your Eyes. In: Cell. Band 174, Nummer 1, Juni 2018, S. 8–11, doi:10.1016/j.cell.2018.06.027, PMID 29958112. Daraus konnte man schlussfolgern, dass allein die Aminosäuresequenz ausreichte, um das Protein in eine funktionale Konformation mit niedrigster freier Energie zu falten. 1972 erhielten Christian B. Anfinsen, Stanford Moore und William Howard Stein für diese Entdeckung den Nobelpreis für Chemie.
Anfang der 2000er-Jahre erkannte man, dass nicht alle Proteine im gefalteten Zustand funktionierten.P. E. Wright, H. J. Dyson: Intrinsically unstructured proteins: re-assessing the protein structure-function paradigm. In: Journal of molecular biology. Band 293, Nummer 2, Oktober 1999, S. 321–331, doi:10.1006/jmbi.1999.3110, PMID 10550212 (Review). Daher müssten einige Proteine ungefaltet oder ungeordnet vorliegen, um ihre Funktion auszuüben.K. Gunasekaran, C. J. Tsai, S. Kumar, D. Zanuy, R. Nussinov: Extended disordered proteins: targeting function with less scaffold. In: Trends in biochemical sciences. Band 28, Nummer 2, Februar 2003, S. 81–85, doi:10.1016/S0968-0004(03)00003-3, PMID 12575995. Schätzungen zufolge sind ca. 10 % der Proteine ungeordnet und 40 % der eukaryotischen Proteine haben zumindest eine lange (> 50 Aminosäuren) ungeordnete β-Schleife.P. Tompa: Intrinsically unstructured proteins. In: Trends in biochemical sciences. Band 27, Nummer 10, Oktober 2002, S. 527–533, PMID 12368089 (Review). Die Aminosäuresequenzen zeigten unter physiologischen Bedingungen in vitro ähnliche physikochemische Merkmale wie die von Random Coils auf. Random Coils sind ebenfalls wenig bis gar nicht strukturiert, besitzen keinen fest gepackten Kern, aber haben dafür eine erweiterte Konformation mit hoher intramolekularer Flexibilität.
Bei vielen kristallographischen Strukturen fehlten β-Schleifen und dies wurde anhand einer Reihe von Aminosäuren mit fehlenden Atomkoordinaten im Modell ersichtlich. Man dachte, dass die „Lücken“ im Modell Artefakte von zufälligen Störungen im Kristall waren. In einigen Fällen können diese Lücken auf intrinsisch ungeordnete β-Schleifen in einem sonst gefalteten Protein hinweisen.C. J. Oldfield, B. Xue, Y. Y. Van, E. L. Ulrich, J. L. Markley, A. K. Dunker, V. N. Uversky: Utilization of protein intrinsic disorder knowledge in structural proteomics. In: Biochimica et biophysica acta. Band 1834, Nummer 2, Februar 2013, S. 487–498, doi:10.1016/j.bbapap.2012.12.003, PMID 23232152, . Solche Lücken sind Grundlagen für Server wie DISOPRED3, das intrinsisch ungeordnete Regionen (IDR, engl. intrinsically disordered region) und Proteinbindungsstellen innerhalb dieser Regionen vorhersagen kann.
Im Jahr 2011 wurde von Tanguy Chouard in der Fachzeitschrift Nature ein umfassender Überblick und einige Funktionen von IDPs veröffentlicht.T. Chouard: Structural biology: Breaking the protein rules. In: Nature. Band 471, Nummer 7337, März 2011, S. 151–153, doi:10.1038/471151a, PMID 21390105.
Eigenschaften Die Regulierung durch posttranslationale Modifikation führt zur erhöhten Bindungsaffinität zwischen den IDPs und deren Rezeptoren. Es wurde vorgeschlagen, dass die Flexibilität von ungeordneten Proteinen die Bindung zu modifizierenden Enzymen und den jeweiligen Rezeptoren erleichtert.M. O. Collins, L. Yu, I. Campuzano, S. G. Grant, J. S. Choudhary: Phosphoproteomic analysis of the mouse brain cytosol reveals a predominance of protein phosphorylation in regions of intrinsic sequence disorder. In: Molecular & cellular proteomics : MCP. Band 7, Nummer 7, Juli 2008, S. 1331–1348, doi:10.1074/mcp.M700564-MCP200, PMID 18388127. Proteine mit intrinsischer Unordnung sind hauptsächlich in der Signaltransduktion, Transkription und der Umgestaltung des Chromatins involviert.L. M. Iakoucheva, C. J. Brown, J. D. Lawson, Z. Obradović, A. K. Dunker: Intrinsic disorder in cell-signaling and cancer-associated proteins. In: Journal of molecular biology. Band 323, Nummer 3, Oktober 2002, S. 573–584, PMID 12381310.K. S. Sandhu: Intrinsic disorder explains diverse nuclear roles of chromatin remodeling proteins. In: Journal of molecular recognition : JMR. Band 22, Nummer 1, 2009 Jan-Feb, S. 1–8, doi:10.1002/jmr.915, PMID 18802931.
Flexible linkers Ungeordnete Regionen treten oftmals als flexible linkers oder Schleifen auf, die Proteindomänen an sich binden können. Die Aminosäuresequenzen von flexible linkers variieren stark hinsichtlich der Länge, aber sie sind reich an polaren Aminosäuren. Flexible linkers in der Lage, dass die Domänen, mit denen sie verbunden sind, sich verdrehen und rotieren können, um somit mithilfe der Proteindomänen-Dynamik Bindungspartner anziehen können. Sie binden auch an Proteine, um ihnen mehr Möglichkeiten zur Konformationsänderung durch weitreichende Allosterie zu bieten.Z. Bu, D. J. Callaway: Proteins move! Protein dynamics and long-range allostery in cell signaling. In: Advances in protein chemistry and structural biology. Band 83, 2011, S. 163–221, doi:10.1016/B978-0-12-381262-9.00005-7, PMID 21570668 (Review).
Lineare Motive Lineare Motive sind kurze Abschnitte von Proteinen, die funktionale Interaktionen mit anderen Proteinen oder Biomolekülen, wie DNA, RNA, Zucker etc. vermitteln. Sie spielen meist eine wichtige Rolle in der Zellregulation, beispielsweise die Kontrolle der Zellstruktur, subzelluläre Lokalisation von verschiedenen Proteinen sowie die Regulation des Proteinumsatzes. Meistens wird durch posttranslationale Modifikation, wie z. B. durch Phosphorylierung, die Affinität für bestimmte Interaktionen modifiziert. Mithilfe der Kernspinresonanz wurden bei 80 % der IDPs sogenannte PreSMos (pre-structured motifs) erkannt, die als kurzzeitige strukturelle Sekundärelemente bei der Zielerkennung involviert sind. In einigen Fällen werden durch Bindung an einem Zielpartner die kurzzeitigen strukturellen Sekundärelemente fest und stabilisieren sich, beispielsweise werden sie zu Helices. Vermutlich bilden die PreSMos die aktiven Zentren der IDPs.S. H. Lee, D. H. Kim, J. J. Han, E. J. Cha, J. E. Lim, Y. J. Cho, C. Lee, K. H. Han: Understanding pre-structured motifs (PreSMos) in intrinsically unfolded proteins. In: Current protein & peptide science. Band 13, Nummer 1, Februar 2012, S. 34–54, PMID 22044148 (Review).
Gekoppelte Faltung und Bindung Viele ungeordnete Proteine gehen bei Bindung in einem geordneteren Zustand über, z. B. Molecular recognition features (MoRFs).A. Mohan, C. J. Oldfield u. a.: Analysis of molecular recognition features (MoRFs). In: Journal of molecular biology. Band 362, Nummer 5, Oktober 2006, S. 1043–1059, doi:10.1016/j.jmb.2006.07.087, PMID 16935303. Das Binden und die gekoppelte Faltung geschieht nur lokal und benötigt nur einige interagierende Aminosäurereste oder eine ganze Proteindomäne. Bestimmte ungeordnete Regionen dienen als molekulare Schalter, die bestimmte biologische Rollen übernehmen und bei Bindung in einen geordneten Zustand übergehen, beispielsweise durch Bindung an kleine Moleküle, Bindung an DNA/RNA, Ioneninteraktionen etc.K. S. Sandhu, D. Dash: Dynamic alpha-helices: conformations that do not conform. In: Proteins. Band 68, Nummer 1, Juli 2007, S. 109–122, doi:10.1002/prot.21328, PMID 17407165.
Die Eigenschaft von ungeordneten Proteinen zur Bindung, um somit eine Funktion auszuüben zeigt, dass die Stabilität des Proteins keine Bedingung dafür ist, eine Funktion ausüben zu können. Viele kurze funktionale Stellen, wie zum Beispiel kurze lineare Motive, liegen im ungeordneten Protein überrepräsentiert vor. Besonders zahlreich findet man ungeordnete Proteine und kurze lineare Motive in RNA-Viren, wie Henipaviren, Hepatitis-C-Virus, HIV-1 und humane Papillomviren, um somit die Bindung und Manipulation einer Vielzahl an Proteinen in der Wirtszelle zu ermöglichen und somit ihr Genom übertragen können.Sarah C. Atkinson, Michelle D. Audsley, Kim G. Lieu, Glenn A. Marsh, David R. Thomas, Steven M. Heaton, Jason J. Paxman, Kylie M. Wagstaff, Ashley M. Buckle, Gregory W. Moseley, David A. Jans, Natalie A. Borg: Recognition by host nuclear transport proteins drives disorder-to-order transition in Hendra virus V. In: Scientific Reports. 8, 2018, doi:10.1038/s41598-017-18742-8.
Unordnung im gebundenen Zustand (Fuzzy-Komplex) Trotz Binden an andere Proteine können sich intrinsisch ungeordnete Proteine in ihrer Konformation jederzeit ändern. Diese strukturelle Unordnung kann im gebundenen Zustand statisch oder dynamisch sein. Fuzzy-Komplexe sind Proteinkomplexe, die aus IDPs bestehen und für die Ausübung ihrer biologischen Funktion ihre Konformation im gebundenen Zustand jederzeit ändern können.M. Fuxreiter: Fuzziness: linking regulation to protein dynamics. In: Molecular bioSystems. Band 8, Nummer 1, Januar 2012, S. 168–177, doi:10.1039/c1mb05234a, PMID 21927770 (Review). Die Bindungsspezifität von DNA-bindenden Proteinen kann durch alternatives Spleißen beeinflusst werden, in dem die Länge von Fuzzy-Regionen variiert wird.M. Fuxreiter, I. Simon, S. Bondos: Dynamic protein-DNA recognition: beyond what can be seen. In: Trends in biochemical sciences. Band 36, Nummer 8, August 2011, S. 415–423, doi:10.1016/j.tibs.2011.04.006, PMID 21620710 (Review).
Struktur